УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЛОПАТОК С РЕГУЛИРУЕМЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ Российский патент 2006 года по МПК F01D9/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к регулированию положения лопаток с регулируемым углом установки. Изобретение в особенности применимо в области аэронавтики для управления угловым положением направляющих лопаток входного направляющего аппарата компрессора турбомашин, таких как турбореактивные или турбовинтовые двигатели самолетов.

Уровень техники

Известные устройства для регулировки положения поворотных лопаток (лопаток с регулируемым углом установки) в турбомашинах обычно содержат орган регулировки (управления) в виде поворотного кольца, которое охватывает корпус турбомашины, и нескольких рычагов или тяг. При этом первая концевая часть каждой тяги соединена с поворотным кольцом с помощью шарнирного устройства, а вторая концевая часть тяги соединена с поворачиваемым хвостовиком соответствующей лопатки.

Синхронное изменение углового положения лопаток производится поворотом кольца вокруг оси турбомашины. Для обеспечения следования за поворотным движением кольца соединение каждой тяги с кольцом имеет, по меньшей мере, одну степень свободы вращения вокруг оси, направленной по существу радиально по отношению к кольцу. Однако вследствие того, что тяга жестко прикреплена к хвостовику соответствующей лопатки, поворот кольца вызывает другие относительные смещения между кольцом и частью тяги, укрепленной на хвостовике лопатки. Для приспособления к этим дополнительным смещениям или, по меньшей мере, к некоторым из них, известно выполнение соединения между тягой и кольцом в виде шарового шарнира или подобного устройства. Такое устройство допускает наряду с поворотом вокруг оси, расположенной по существу радиально относительно кольца, также поворот вокруг оси, проходящей в направлении по существу по касательной к окружности кольца. Был предложен такой вариант исполнения этой связи, в котором создается дополнительная степень свободы движения по существу в радиальном направлении относительно кольца. В этой связи, в частности, могут быть приведены ссылки на патентные документы Франции №№ А-2608678 и А-2746141.

Использование механических шарнирных средств типа шаровых шарниров или аналогичных устройств в устройстве для регулировки положения комплекта лопаток или одновременной регулировки положения нескольких комплектов лопаток требует изготовления очень большого числа деталей, что связано с высокими затратами. Кроме того, такие шарнирные сочленения подвержены износу, который изменяет их функциональные характеристики.

В одном из вариантов выполнения было предложено также компенсировать эти дополнительные движения или, по меньшей мере, их часть посредством упругой деформации тяги. Такие решения предложены, в частности, в патентах США №№4367264 и 4979874.

Согласно этим решениям возможность упругой деформации создается посредством выполнения тяги более тонкой в ее центральной части между концевыми частями, связанными с поворотным кольцом и с хвостовиком лопатки. В этом случае, с одной стороны, необходимо обеспечить достаточную гибкость тяги, чтобы она не создавала помех передаче движения между поворотным кольцом и лопатками. С другой стороны, необходимо сохранить достаточную толщину тяги для обеспечения ее усталостной прочности и устранения риска продольного изгиба. Оптимальное решение является результатом компромисса между этими двумя противоречивыми требованиями, и найти его не так легко.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении недостатков известных устройств и в создании регулирующего устройства с использованием гибкой тяги, которая имеет очень высокую прочность на механическую усталость, вызываемую многократными циклами срабатывания, а также очень высокую прочность на продольный изгиб и в то же время обладает гибкостью, позволяющей тяге легко деформироваться скручиванием во всем диапазоне поворота поворотного кольца. Следующей задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, которое позволяет упростить его монтаж, а также создает возможность быстрого и простого индивидуального демонтажа тяг. Еще одной задачей является создание устройства с особенно пониженным гистерезисом в соединении лопатки с тягой.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания устройства такого типа, содержащего тягу, сопрягающие средства, образующие шарнирное соединение между первой концевой частью тяги и поворотным кольцом, и средства фиксации второй концевой части тяги на хвостовике регулируемой лопатки. Согласно изобретению сопрягающие средства содержат палец, проходящий через первое сквозное отверстие, выполненное в первой концевой части тяги, и входящий в радиальное гнездо в поворотном кольце. Палец удерживается в своем положении стопорным кольцом, снабженным окнами для прохода пальцев и установленным с возможностью смещения на указанном поворотном кольце. Средства фиксации содержат фиксирующий винт, проходящий через второе сквозное отверстие, выполненное во второй концевой части тяги, и входящий в проточку хвостовика регулируемой лопатки. При этом устройство дополнительно содержит средства для удерживания указанной тяги на указанном хвостовике лопатки с возможностью их совместного поворота без относительных смещений, свободного хода или люфтов.

Благодаря такой специальной конструкции, с одной стороны, намного упрощается сборка/разборка устройства за счет моноблочного характера узла поворотного кольца с тягами (получаемого благодаря наличию стопорного кольца) и, с другой стороны, становится особенно легкой индивидуальная замена тяг без разборки поворотного кольца. Кроме того, автоматический выбор зазоров или люфтов в соединении лопатки с тягой позволяет избежать или, по меньшей мере, значительно снизить общий гистерезис.

Согласно предпочтительному примеру осуществления указанные средства удерживания без люфта содержат радиальную канавку, выполненную в хвостовике лопатки. При этом ширина канавки меньше ширины указанной второй концевой части тяги, для приема которой предназначена указанная канавка. Для этого тяга в оптимальном варианте изогнута вокруг своей продольной оси.

Согласно другому примеру осуществления изобретения средства удерживания без люфта содержат, по меньшей мере, один шип, выполненный в указанном хвостовике лопатки и предназначенный для взаимодействия с лапками, образованными посредством выполнения выреза во второй концевой части тяги. Этот окружающий лапки вырез предпочтительно выполнен по обе стороны от центральной продольной оси тяги и по обе стороны от центральной, по существу прямоугольной зоны, предназначенной для обеспечения центрирования фиксирующего винта.

Согласно специфической особенности изобретения указанная тяга на уровне своей второй концевой части содержит часть большей ширины, чем ее первая концевая часть, в которую она постепенно переходит.

Специально для компенсации свободного хода или игры между тягой и поворотным кольцом указанное радиальное гнездо ограничено вкладышем, укрепленным в первом отверстии тяги. Для удерживания тяги, прижатой к хвостовику лопатки, предусмотрен упор, помещенный между указанной второй концевой частью тяги и указанным фиксирующим винтом.

В оптимальном примере выполнения указанная тяга представляет собой слоистую структуру, содержащую тонкие жесткие слои, образованные металлическими листами, чередующиеся со слоями эластомера, при этом слои плотно связаны друг с другом.

Наличие слоистой структуры придает тяге особенно выгодные свойства. За счет малой толщины металлических слоев, связанных между собой слоями эластомера, тяга легко деформируется на изгиб и скручивание. Кроме того, сопротивление деформации не подвергается существенному изменению во всем диапазоне функционирования поворотного кольца. Таким образом, регулировка углового положения поворотных лопаток осуществляется более просто и точно. Кроме того, несмотря на свою малую толщину, металлические слои образуют вместе со слоями эластомера комплекс, обладающий очень высокой стойкостью на усталость и изгиб.

В предпочтительном примере выполнения изобретения, направленном на облегчение монтажа/демонтажа тяг, указанные поворотное кольцо и стопорное кольцо выполнены каждое из двух частей, причем каждая часть охватывает 180° окружности турбомашины.

Перечень чертежей

Примеры осуществления настоящего изобретения, не являющиеся ограничивающими, будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает в разрезе в увеличенном масштабе устройство регулировки в первом примере выполнения,

фиг.2 изображает устройство в разрезе по линии II-II на фиг.1,

фиг.3 изображает устройство в разрезе по линии III-III на фиг.1,

фиг.4 изображает устройство регулировки по фиг.1 в перспективе,

фиг.5 изображает гибкую тягу, используемую в устройстве регулировки,

фиг.6 изображает на виде в перспективе последовательные этапы сборки устройства регулировки по фиг.1,

фиг.7 изображает в разрезе в увеличенном масштабе устройство регулировки во втором примере выполнения,

фиг.8 изображает на виде в перспективе устройство регулировки по фиг.7,

фиг.9 изображает гибкую тягу, используемую в устройстве регулировки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1-3 показана на виде в разрезе, а на фиг.4 - на виде в перспективе часть турбомашины, турбореактивного или турбовинтового авиационного двигателя или другого наземного или морского генератора мощности, оснащенного направляющими лопатками, которые распределены вокруг оси турбомашины и расположены на входе компрессора. В составе этой части показана лопатка 10 с регулируемым углом поворота.

Каждая лопатка 10 снабжена хвостовиком 12 с осью 14. Хвостовик 12 установлен с возможностью поворота в подшипнике скольжения, который образован втулками 16а, 16b, установленными в корпусной детали 18 турбомашины (в образующем обод наружном кольцевом выступе или в корпусе спрямляющего аппарата).

Угловое положение каждой поворотной лопатки задается гибкой тягой 20 (см. фиг.5), которая предпочтительно имеет гибкую композитную структуру, такую как слоистая структура, образованная тонкими металлическими слоями, чередующимися со слоями эластомера, которые связаны между собой в одно целое. Металлические слои образованы листами металла толщиной предпочтительно менее 0,5 мм, разрезанными на тонкие полосы, или фольгой. Металл может быть сталью, нержавеющей сталью или другим металлом, пригодным для тяг данного назначения. Эластомерные слои могут быть сформированы из натурального каучука, хлоропрена, бутадиена, нитрила, эпихлоргидрина, силикона и других материалов, выбираемых в соответствии с желаемыми механическими характеристиками и условиями окружающей среды.

На своей первой концевой части 20а тяга 20 имеет первое отверстие 22, предназначенное для приема сопрягающих средств, образованных пальцем 24 с осью 26, входящим в радиальное гнездо 28 поворотного кольца 30. В оптимальном примере выполнения гнездо 28 ограничено вкладышем 32 (из двух частей, а именно втулки 32а и кольца 32b), который установлен в первом сквозном отверстии 22 тяги 20 и предназначен, с одной стороны, для компенсации люфта между тягой и поворотным кольцом и, с другой стороны, для создания достаточной длины центрирования для восприятия усилий от пальца 24. Палец удерживается в своем положении с помощью стопорного кольца 34, которое установлено с возможностью смещения на поворотном кольце и снабжено окнами 36, выполненными в соответствии с размерами пальца 24 (точнее, его головки).

На своей второй противоположной концевой части 20b тяга 20 имеет второе отверстие 38, предназначенное для приема средств фиксации, образованных фиксирующим винтом 40, который входит в глухую резьбовую проточку 42 хвостовика 12 лопатки. Жесткое соединение тяги 20 с хвостовиком 12 без люфтов и с возможностью совместного поворота концевой части 20b тяги с хвостовиком 12 обеспечивается ее посадкой в радиальной канавке 44, ширина которой меньше ширины тяги. Канавка 44 выполнена в хвостовике 12 с образованием опорной площадки 44а и двух плоских радиальных бортов 44b, 44с для позиционирования тяги 20 (фиг.2 и 4). Между концевой частью 20b тяги 20 и фиксирующим винтом 40 установлена образующая упор шайба 46.

Поворотное кольцо 30 имеет ось поворота, совпадающую с продольной осью турбомашины. Кольцо 30 выполнено со сквозными радиальными окнами 48, число которых соответствует числу лопаток, а ширина превышает ширину тяги. Предпочтительно поворотное кольцо 30 выполнено из двух частей (двух полуколец), каждое из которых перекрывает 180° окружности турбомашины. Эти части соединены между собой (зафиксированы) с помощью соединительного элемента (не показан). Поворот обеспечивается известным образом посредством одного или нескольких силовых цилиндров (не показаны). Поворот поворотного кольца позволяет изменять угловое положение лопаток 10 через посредство тяг 20. Таким же образом стопорное кольцо 34 образовано из двух частей, перекрывающих по 180° окружности. Разумеется, в зависимости от конструкции турбомашины возможен также вариант выполнения единого устройства, с охватом 360° окружности.

Фиг.6 иллюстрирует процесс монтажа/демонтажа лопаток. Монтаж осуществляется в основном в два этапа.

Первый этап может осуществляться отдельно в производственных условиях, что является одним из важных преимуществ изобретения. Этот этап заключается в индивидуальной установке тяг 20 на поворотном кольце 30 и их фиксации стопорным кольцом 34. Для этого для каждой тяги в первом отверстии 22 тяги закрепляют вкладыш 32 (для закрепления кольца 32b на втулке 32а могут использоваться различные технологические приемы). Затем тягу в сборе заводят в окно 48 поворотного кольца 30. Далее палец 24 вводят через окно 36 в стопорном кольце 34 и закрепляют в концевой части 20а тяги путем простого ввода этого пальца во вкладыш 32. После установки всех тяг остается только повернуть стопорное кольцо 34 на расстояние, равное половине шага между лопатками. При этом все пальцы 24 автоматически блокируются в жестком соединении с поворотным кольцом 30 с образованием моноблока. После этого две половины подвижного стопорного кольца соединяются между собой, например, посредством соответствующего соединительного элемента (не показан).

Второй этап производится уже непосредственно на месте и заключается в монтаже всего моноблока на хвостовиках 12 лопаток 10. Для этого концевую часть 20b каждой тяги помещают по отдельности на опорную площадку 44а хвостовика и закрепляют с помощью фиксирующего винта 40 с установкой между ними упорной шайбы 46. Прижим упорной шайбы 46 фиксирующим винтом 40 позволяет удерживать под усилием сжатия слои слоистой структуры и избежать их нежелательного расслоения на уровне внутренней стенки второго отверстия 38. Установка пальца 24 на другой концевой части тяги оказывает то же воздействие на уровне внутренней стенки первого отверстия 22.

Следует отметить еще одно важное преимущество изобретения. Для автоматической выборки люфтов между хвостовиком лопатки и тягой с целью устранения возможности относительных смещений и снижения гистерезиса, характерного для таких соединений вследствие допусков при изготовлении, тяга 20 в своем плоском состоянии имеет ширину, немного превышающую ширину канавки 44 между ее прямыми бортами 44b, 44с. Для облегчения установки тягу 20 в процессе изготовления делают слегка изогнутой (вокруг продольной оси) со стрелой "F" прогиба, как это показано на фиг.2. Разумеется, возможен вариант изготовления плоской тяги с ее последующим легким сжатием при установке.

Разборку или демонтаж производят точно в обратном порядке. Еще одним важным преимуществом описанной конструкции является возможность индивидуального демонтажа каждой тяги. Для этого достаточно снять ее средства 40, 46 фиксации, затем совместить окна 36 на стопорном кольце 34 с пальцами 24 (разумеется, после освобождения этого кольца), снять палец 24 подлежащей замене тяги 20 и вынуть эту тягу через окно 48 в поворотном кольце 30. После этого новую тягу можно установить, действуя в обратном порядке.

На фиг.7-9 показан второй пример выполнения изобретения, в котором тяга также имеет слоистую структуру, но другую геометрию. В этом исполнении вторая концевая часть 20b тяги, предназначенная для соединения с хвостовиком 12 лопатки, выполнена более широкой по сравнению с первой концевой частью 20а и постепенно сужается по направлению к ней. Кроме того, второе отверстие 38 выполнено не круглым, а в виде фасонного выреза и предназначено, с одной стороны, для центрирования, а, с другой стороны, чтобы служить направляющей тяги с хвостовиком лопатки. Этот фасонный вырез имеет симметричную конфигурацию относительно продольной оси тяги и содержит центральную зону 50 по существу прямоугольной формы. С двух сторон от продольной оси тяги вырез образует лапки 52а, 52b, 52с, 52d, предназначенные для прижима с упругой деформацией к шипам 54а, 54b, выступающим из верхней части хвостовика 12 лопатки. Центральная зона 50 предназначена для центрирования фиксирующего винта 40, ось которого вписывается в прямоугольник центральной зоны. При установке фиксирующего винта 40 с упорной шайбой 46 лапки 52а, 52b, 52с, 52d тяги 20 упруго обжимают шипы 54а, 54b, обеспечивая направление и автоматический выбор люфтов между тягой и хвостовиком лопатки.

На фиг.7 на виде в разрезе показана фиксация второй концевой части 20b тяги до установки фиксирующего винта 40 и после его установки. Элементы устройства, аналогичные элементам в первом примере выполнения, обозначены теми же позициями. На чертеже видно деформирующее воздействие, оказываемое шипом 54b на лапки 52с, 52d тяги 20, что обеспечивает соединение тяги с хвостовиком лопатки без люфта и относительной игры.

Фиг.8 иллюстрирует на виде в перспективе три различных этапа соединения лопатки с поворотным кольцом. Здесь также видны шипы, выступающие из верхней части хвостовика лопатки и расположенные в радиальном направлении. Монтаж/демонтаж всего комплекта тяг или индивидуально отдельной тяги осуществляется таким же образом, как это описано применительно к предыдущему примеру выполнения.

Как уже было указано, использование гибкой композитной структуры, такой как слоистая структура, особенно выгодно, так как она дает возможность совместить гибкость и механическую прочность во всем диапазоне функционирования. Особенно интересное преимущество состоит в том, что сопротивление деформации скручивания не подвергается существенному изменению в этом диапазоне, что обеспечивает точность регулировки угловой установки лопаток.

Устройство для регулировки положения лопаток с регулируемым углом установки в турбомашине содержит тягу, сопрягающие средства, средства фиксации и средства для удерживания указанной тяги на указанном хвостовике лопатки с возможностью их совместного поворота без люфта. Сопрягающие средства, образующие шарнирное соединение между первой концевой частью тяги и поворотным кольцом, содержат палец, проходящий через первое сквозное отверстие, выполненное в первой концевой части тяги, и входящий в радиальное гнездо в поворотном кольце. Указанный палец удерживается в своем положении стопорным кольцом, снабженным окнами для прохода пальцев и установленным с возможностью смещения на поворотном кольце. Средства фиксации, служащие для удержания второй концевой части тяги на хвостовике регулируемой лопатки, содержат фиксирующий винт, проходящий через второе сквозное отверстие, выполненное во второй концевой части тяги, и входящий в проточку хвостовика регулируемой лопатки. Изобретение позволяет упростить монтаж устройства, обеспечить возможность простого индивидуального демонтажа тяг, а также повысить их надежность. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для регулировки положения лопаток с регулируемым углом установки в турбомашине, содержащее тягу (20), сопрягающие средства (24, 32), образующие шарнирное соединение между первой концевой частью (20а) тяги и поворотным кольцом (30), и средства (40, 46) фиксации второй концевой части (20b) тяги на хвостовике (12) регулируемой лопатки (10), отличающееся тем, что указанные сопрягающие средства содержат палец (24), проходящий через первое сквозное отверстие (22), выполненное в указанной первой концевой части тяги, и входящий в радиальное гнездо (28) в указанном поворотном кольце, причем указанный палец удерживается в своем положении стопорным кольцом (34), снабженным окнами (36) для прохода пальцев и установленным с возможностью смещения на указанном поворотном кольце, указанные средства фиксации содержат фиксирующий винт (40), проходящий через второе сквозное отверстие (38), выполненное в указанной второй концевой части тяги, и входящий в проточку (42) указанного хвостовика регулируемой лопатки, при этом устройство дополнительно содержит средства (44, 52, 54) для удерживания указанной тяги на указанном хвостовике лопатки с возможностью их совместного поворота без люфта.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные средства удерживания без люфта содержат радиальную канавку (44), выполненную в указанном хвостовике лопатки, причем ширина указанной канавки меньше ширины указанной второй концевой части тяги, для приема которой предназначена указанная канавка.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что тяга выполнена изогнутой вокруг своей продольной оси.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные средства удерживания без люфта содержат, по меньшей мере, один шип (54а, 54b), выполненный в указанном хвостовике лопатки и предназначенный для взаимодействия с лапками (52а, 52b, 52с, 52d), образованными посредством выполнения выреза в указанной второй концевой части тяги.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанный вырез, окружающий указанные лапки, выполнен по обе стороны от центральной продольной оси тяги и по обе стороны от центральной по существу прямоугольной зоны (50), предназначенной для обеспечения центрирования указанного фиксирующего винта.6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанная тяга на уровне своей второй концевой части (20b) содержит часть большей ширины, чем ее первая концевая часть (20а), в которую она постепенно переходит.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанное радиальное гнездо ограничено вкладышем (32а, 32b), укрепленным в указанном первом отверстии тяги.8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные средства фиксации дополнительно содержат упор (46), помещенный между указанной второй концевой частью тяги и указанным фиксирующим винтом и предназначенный для удерживания тяги (20), прижатой к хвостовику (12) лопатки.9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная тяга представляет собой слоистую структуру, содержащую тонкие жесткие слои, образованные металлическими листами, чередующиеся со слоями эластомера, при этом слои плотно связаны друг с другом.10. Устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что указанные поворотное кольцо и стопорное кольцо выполнены каждое из двух частей, причем каждая часть охватывает 180° окружности турбомашины.